بررسي تجربي، مدل‌سازي رياضي و بهينه‌سازي نيروهاي برش در فرآيند اتوماتيك فرزكاري استخوان كورتيكال

Experimental Investigation, Mathematical Modeling and Optimization of Cutting Forces in the Automatic Process of Cortical Bone Milling

فرزكاري استحوان كورتيكال در جراحي‌هاي اورتوپدي مانند تعويض مفصل زانو، اوتولوژيك، ستون فقرات و تعويض مفصل ران استفاده ‌مي‌شود. نيروهاي برش ايجاد شده توسط ابزار برشي در طول فرزكاري استخوان كورتيكال به‌منظور كنترل سايش ابزار و همچنين اعمال نيروي مجاز به‌استخوان براي جلوگيري از شكستگي بايد كنترل شود. اين مطالعه به‌طور مشخص به‌مدل‌سازي پارامترهاي موثر در فرزكاري استخوان شامل سرعت برش، نرخ پيشروي، عمق برش و قطر ابزار با استفاده از روش سطح پاسخ براي پيش‌بيني نيروهاي برش مي‌پردازد. در اين روش ‌مي‌توان به‌صورت روشمند يك معادله رگرسيون خطي مرتبه دوم به‌منظور پيش‌بيني دقيق رفتار فرآيند فرزكاري استخوان ارايه نمود. همچنين از روش تحليل حساسيت آماري سوبل براي بررسي دقيق ميزان تاثير پارامترهاي ورودي روي رفتار نيروي برش بهره گرفته شده است. در اين پژوهش رفتار پارامترهاي مختلف ورودي به‌صورت جداگانه و برهم‌كنش آنها با يكديگر روي نيروي ماشين‌كاري مورد ارزيابي و تحليل قرارگرفته است. مولفه‌هاي نيروي برش در سه جهت پيشروي، عمود بر پيشروي و عمود بر سطح استخوان اندازه‌گيري و بررسي شد. نتايج به‌دست آمده نشان مي‌دهد مدل رياضي حاكم بر مساله عملكرد مناسبي در بازه پارامترهاي تعريف شده دارد و ‌مي‌تواند پيش‌بيني بسيار خوبي از رفتار نيرو ارايه نمايد. با انتخاب سرعت دوراني 1500دور بر دقيقه، نرخ پيشروي 12ميلي‌متر بر دقيقه، قطر ابزار 2ميلي‌متر و عمق برش 0/2 ميلي‌متر ‌مي‌توان به‌حداقل نيروي برش دست يافت. همچنين در خصوص حساسيت رفتار نيرو براساس تغيير پارامترهاي ورودي در بازه ‌آزمايش‌ها، بيشترين اثر مربوط به‌اثر عمق برش با36/3% تاثير و پس از به‌ترتيب نرخ پيشروي با 28/4%، قطر ابزار با 27/5% و سرعت دوراني با 7/8% است.

Cortical bone milling is used in orthopedic surgeries such as knee replacement, otological, spinal cord, and hip replacement. The cutting forces created by the cutting tool during cortical bone milling in order to control the wear of the tool as well as applying allowable force to the bone to prevent fracture should be controlled. In this paper, the effective parameters in the bone milling including cutting speed, feed rate, cutting depth and tool diameter has been investigated using the response surface method in order to predict the cutting forces. In this method, a second-order linear regression equation can be presented in order to predict the behavior of the bone milling process precisely. Also, Sobel’s sensitivity analysis method was used to study the effect of input parameters on the behavior of cutting force. In this research, the behavior of different input parameters and the effect of their interactions on the machining force has been evaluated and analyzed. The components of cutting force were measured and investigated in three directions of feed, perpendicular to the feed and perpendicular to the bone surface. The results show that the mathematical model governing the problem has a proper function within the range of the defined parameters and it can provide a good prediction of force behavior. The minimum cutting force can be achieved in a rotational speed of 1500 rpm, feed of 12 mm/min, tool diameter of 2 mm, and cutting depth of 0.2 mm. Also, about the sensitivity of the force behavior based on the input parameters variation in the range of experiments, the greatest effect was related to the cutting depth with 36.3% of the effect, and feed rate with 28.4% of the effect, the diameter of the tool with 27.5% of the effect and the rotational speed with 7.8% of the effect.